CA6140普通车床数控化改造设计

1、目录第 一 章 设 计 任 务 51.1 题 目 ： 51.2 任 务 5第 二 章 总 体 方 案 的 确 定 6第 三 章 机 械 系 统 的 改 造 设 计 方 案 73.1 主轴系统的改造方案. 73.2 安装电动卡盘 . 73.3 换装自动回转刀架 . 83.4 螺纹编码器的安装方案 . 83.5 进 给系 统 的改 造与 设计 方案 9第 四 章 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 104.1 脉冲当量的确定. 104.2 切削力的计算 . 104.3 滚 珠丝 杠 螺母 副的 计算 和选 型 114.4 同 步 带 减 速 箱 的 设 计 . 124.5 步 进电 动

2、 机的 计算 与选 型. 134.6 同步带传递效率的校核 . 16第 五 章 绘 制 进 给 传 动 机 构 的 装 配 图 18第 六 章 控 制 系 统 硬 件 电 路 设 计 21第 七 章 步 进 电 动 机 驱 动 电 源 的 选 用 22第 八 章 容 总 结 29参 考 文 献 30摘要我国目前机床 总量为 380 万余台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台 ，这 说 明我 国机 床数 控化 率 不到 3%。我们大多 数制 造业 和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄 在 10 年 以 上 的 旧 机 床 。 用 这 种 机 床 加 工 出 来 的 产

3、 品 普 遍 存 在 质 量 差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏 竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数 控化率。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不 经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数 控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有 很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准 确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其 计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然 后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要 更换一个程序，就可以实现另

4、一工件的加工，从而实现“柔性自动 化 ”。改 造 后 的 机 床 不 象 购 买 新 机 那 样 ，要 重 新 了 解 机 床 操 作 和 维 修 ， 也 不 了 解 能 否 满 足 加 工 要 求 。改 造 可 以 精 确 计 算 出 机 床 的 加 工 能 力 ， 另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修 方 面 培 训 时 间 短 ，见 效 快 。另 外 ，数 控 改 造 可 以 充 分 利 用 现 有 地 基 ， 不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发 展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成 当今水平的机床。数控技术改造机床是以

5、微电子技术和传统技术相结合为基础， 不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方 案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于 自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术 改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技 术方向过渡的主要容之一。第 一 章 设 计 任 务1.1 题目 ： CA6140 普通 车床 数控化改 造 设计1.2 任 务将一 台 CA6140 普通 车床改 造成 经济 型数 控 车床 。主 要 技术 指标 如下：( 1)床 身上最 大加 工直 径 400mm; ( 2)最 大加工 长度 1000mm；(3) X方向

6、(横向)的脉冲当量x 0.005mm/脉冲，Z方向(纵向)z 0.01mm/脉冲；( 4)X方 向 最 快 移 动 速 度vxmax3000mm/min ，Z方 向 为vxmax 6000mm/min ；( 5)X方 向 最 快 工 进 速 度vxmaxf400mm/ min ，Z方 向 为vxmaxf 800mm/ min ；( 6) X 方 向 定位 精度 0.01mm， Z 方 向 0.02mm；( 7) 可 以车削 柱面 、平 面、 锥面 与 球面 等；( 8) 安 装螺纹 编码 器， 可以 车削 公 / 英制 的 直 螺纹与锥螺 纹， 最大 导 程 24mm；( 9) 安 装四工 位

7、立 式电 动刀 架， 系 统控 制自 动 选刀；( 10) 自动控制主 轴的 正转、反 转 与停 止，并 可 输出 主 轴有 级变 速与无级变速信号；( 11) 自动控制冷 却泵的 启/ 停;( 12)安装电动卡 盘， 系统控 制工 件的 夹紧与松开；( 13 )纵 、 横 向 安 装 限 位 开 关 ；(14) 数控系统可与PC机串行通信；( 15) 显示界面采 用 LED 数码 管， 编程采用 ISO 数 控 代码 。第 二章 总体方案的 确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类 型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 1 普 通车床 数控 化改

8、造后 应具 有 单坐 标定 位 ，两坐标 直线 插补 、 圆弧插补以及螺纹插补的功能。 因此， 数控系统应设计成连 续控制型。2 普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床， 在保证一定 加工精度的前提下， 应结构简化， 降低成本。 因此， 进给伺 服系统采用步进电动机的开环控制系统。3 根据技术指标中的最大加工尺寸、 最高控制速度， 以及数控 系统的经济性要求， 决定选用 MCS-51 系列的 8位单片机作为 数控系统的 CPU。 MCS-51 系列 8 位机具有功能多、 速度快、 抗干扰能力强、 性/价比高等优点。4 根据系统的功能要求， 需要扩展程序存储器、 数据存储器、键 盘 与 显 示

9、 电 路 、 I/O 接 口 电 路 、 D/A 转 换 电 路 、 串 行 接 口 电 路等， 还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交 流变频器等。5 为了达到技术指标中的速度和精度要求， 纵、 横向的进给传 动应选用摩擦力小、 传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消 除传动间隙提高传动刚度， 滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。6 计算选择步进电动机， 为了圆整脉冲当量， 可能需要减速齿 轮副， 且应有消间隙机构。7 选择四工位自动回转刀架与电动卡盘， 选择螺纹编码器等。第三节 机械系统的改造 设计方案3.1 主轴 系统的改 造 方案对普 通机床进行数控化 改造时，一 般 可保 留原 有的

10、主传动机构 和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、 反转和停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可 用 24 速 的 多 速 电 动 机 代 替 原 有 的 单 速 主 电 动 机 ； 当 多 速 电 动 机 仍 不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级 变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于 70Hz， 原 来 的 电 动 机 可 以 不 更 换 ， 但 所 选 变 频 器 的 功 率 应 比 电 动 机 大 ）。改 造 C6140 车 床 时 ， 若 采 用 有 级 变 速 ， 可 选 用 超 力 生

11、 产 的 YD 系列7.5kW变级多速三相异步电动机，实现24档变速；若采用无 级变速， 应加装交流变频器， 推荐型号为： F100-G0075T3B, 适配 7.5kW电动机，生产厂家为惠丰电子。3.2 安装 电动 卡盘为了提高加工效率， 工件的夹紧与松开采用电动卡盘， 选用呼 和浩特附件总厂生产的 KD11250 型电动三爪自定心卡盘。 卡盘的夹 紧与松开由数控系。3.3 换装 自动 回转 刀 架为了提高加工精度， 实现一次装夹完成多道工序， 将车床原有 的手动刀架换成自动回转刀架， 选用市宏达机床数控设备生产的 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。 实现自动换刀需要配置相应 的

12、 电 路， 由数 控系 统完 成。3.4 螺纹 编码 器的 安 装方 案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹 时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它 与车床主轴同步。改造 后的 车床能够加 工的最大 螺纹导 程是 24mm， Z 向 的进 给脉 冲 当量是 0.01mm /脉冲 ，所 以螺 纹编码器每 转一 转输 出的脉 冲数 应不 少 于 24mm /（ 0.01mm /脉冲） 2400脉冲 。 考 虑 到 编码 器的 输 出 有 相 位差 90 的 A、B 相信号 ，可 用 A、B 异或 后获得 2400个脉 冲（ 一转 ），这 样 编码 器的线 数可

13、 降 到 1200线 （A、 B 信 号）。 另外，为 了 重复 车削 同 一 螺 旋 槽 时 不 乱 扣 ， 编 码 器 还 需 要 输 出 每 转 一 个 的 零 位 脉 冲 Z 。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为： ZLF-1200Z-05VO-15-CT 。 电源 电压 +5V， 每转 输出 1200个 A/B 脉冲 与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm，生产厂家为光机 数显技术。螺纹 编码器通常有 两种安装形 式： 同轴 安 装和 异轴 安 装。 同轴 安 装是指 将编 码器 直接 安 装在 主轴 后端 ， 与主轴 同 轴 ， 这种方 式结 构 简单， 但它 堵住 了主

14、 轴 的通 孔。 异轴 安 装是指将 编码 器安装 在床 头 箱的的 后端 ， 一 般尽 量 装在 与主 轴 同步 旋转 的输 出 轴 ， 如果 找不 到 同步轴 ，可将编码 器通 过一对传动 比为 1 :1 的同步 齿形带 与主 轴 连 接 起来。 需要 注意 的是 ， 编码 器的 轴 头 与 安装轴 之 间必 须采用 无间 隙 柔性连 接， 且车 床组 、 主轴 的最 高转 速 不允许超 过编 码器的 最高 许用转速。3.5 进给 系统 的改 造 与设 计方 案（1 ） 拆除挂 轮架 所有 齿轮 ， 在此主轴 的 同步轴 ， 安 装螺纹编 码器。（2） 拆除进 给箱 总成 ， 在 此 位置

15、安装 纵 向进给步 进 电 动机 与 同步带减速箱总成。3) 拆除溜 板箱 总成 与快 走 刀的齿轮 齿 条，在纵 溜 板的下面 安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。4) 拆除四 方刀 架与 上溜 板 总成，在 横 溜板 上方 安 装四工位 立式刀架。5) 拆除横 溜板 下的 滑动 丝 杆螺母副 ， 将滑动丝 杆 靠刻度盘 一 段( 长 216mm ，见 图 一 )锯 断 保 留 ，拆 掉 刻 度 盘 上 的 手 柄 ，保 留 刻 度 盘 附 近 的 两 个 推 力 轴 承 ，换 上 滚 珠 丝 杠 副 。6) 将横向 进给 步进 电动 机 通过法兰 安 装到横溜 板 后部的纵 溜板上，并

16、与滚珠丝杠的轴头相联。7) 拆去 三杆 ( 丝杆 、光 杆与 操纵杆 )， 更 换丝 杆的 右支 承。8) 改造后 的横 向、 纵向 进 给传动系 统 分别见附 图 一和附图二。第四节 进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机4.1脉冲当量的确定根据设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量为x 0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为z 0.01mm/脉冲。4.2切削力的计算（1）纵向切削力算设工件为碳素结构钢，b 650MPa ；选用刀具材料为硬质合金 YT15 ;刀具几何参数为：主偏角kr 60，

17、前角°10，刃倾角s 5 ；切削用量为：背吃刀量p 3mm，进给量f 0.6mm/ r，切削速度 vc 105m/ min。查表得：Gfc 2795，Xfc 1.0，yFc 0.75，nfc0.15 ;主偏角的修正系数Kkfc 0.94 ；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数 值均为1.0。由经验公式：Fc Cf pFc f yFcVcnFc Kf，算得主切削力Fc 2673.4N ;CFc由经验公式：Fc : Ff : Fp 1: 0.35 :0.4，算得纵向进给切削力Ff 935.69N , 背向力 FP 1069.36N。（2）横向切削力计算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主

18、切削力'1Fc-Fc 1336.7 Nc 2 c由经验公式Fc： Ff : Fp1:0.35:0.4,求得横向进给切削力Ff 467.85N ,背向力 Fp 534.68N。4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1.纵向：(1) 工作载荷Fm的计算已知移动部件总重量 G 1300N ； 车削力Fc 2673.4， Fp 1069.36N， Ff 935.69N。根据 Fz Fc， Fy Fp， Fx Ff 的 对应关 系，可得：Fz 2673.4N， Fy 1069.36N， Fx 935.69N。选用矩形-三角形组合滑动导轨，查表，取K 1.15，0.16，代入Fm KFx(Fz G),得

19、工作载荷Fm 1712N .最大动载荷Fq的计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度 v 0.8m/ min ，初选丝杠基本导程Ph 6mm，则此时丝杠转速 n 1000v/Ph 133r / min。取滚珠丝杠的使用寿命T 15000h，代入L。60 nT/106,得丝杠寿 命系数Lo 119.7(单位为:106r)。查表，取载荷系数fW 1.15，再取硬度系数fH 1，代入式 Fq L0 fWfHFm，求得最大动载荷 Fq 3 L0 fWfHFm 9703N。初选型号根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件生产 的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导

20、程为6mm， 双螺母滚珠总圈数为3 2圈6圈，精度等级取4级，额定动载荷为 132000N，满足要求。(4) 传动效率的计算将公称直径d° 40mm ， 基本导程Ph 6mm ， 代入 arcta nPh/(d。)，得丝杠螺旋升角 2 44'。将摩擦角 10'，代入 tan /tan( )，得传动效率 94.2%。(5) 刚度的验算1 ) 纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方 式，见图二。固定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠 加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a 1497mm ;钢的弹性 模量E 2.1 105MPa ；查表得滚珠直径Dw

21、 3.9688mm,算得丝杠底径d2 公称直径d0滚珠直径DW 36.0312mm。忽略式1FmaESMa22 IE的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1Fma/(ES) 0.01197 mm。2)根据公式Z (d°/Dw) 3，求得单圈滚珠数目Z 29,该型号 丝杠为双螺母，滚珠总圈数为3 26，则滚珠总数量Z 29 6174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj Fm/3571N。则由式0.0013Fm103 DwFyjZ2 /10求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量0.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取20.00

22、0585mm。3)将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量(对应跨度1497mm)总0.012555mm 12.555 m。由表知，4级精度滚珠丝 杠任意300mm轴向行程行程的变动量允许16 m，而对于跨度为 1497mm的滚珠丝杠，总的变形量 总只有12.555 m，可见丝杠刚度足够。(6) 压杆稳定性校核根据式Fkfk 2eiKa2Fm计算失稳时的临界载荷Fk。查表取支承系数fk 2 ；由丝杠底径d236.0312，求得截面积惯性矩I d；/6482734.15mm2;压杆稳定安全系数K取3(丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。代入式k 2eiKa

23、2Fm，得临界载荷Fk 51012N ,远大于工作载荷Fm(1712N)，故丝杠不会失稳综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求4.4同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动 系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。C6140 车床纵向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P ；主动 轮转速和传动比i ；传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大静转矩通常 在1525N m之间选择。初选电动机型号为130BYG5501,五相混合 式，最大静转矩20N m，十拍驱动时步距角为0.72。(1)

24、传动比的确定已知电动机的步距角 0.72，脉冲当量z 0.01mm/脉冲， 滚珠丝杠导程Ph 6mm，代入式i 算得传动比i 1.2360(2) 主动轮最高转速山由纵向床鞍的最快移动速度vzmax 6000mm/min，得出主动轮的最高转速 n1 (Vzmax/ z)/360 1200r/min。(3) 确定带的设计功率Fd预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为 fmax 1200 360/(60)1200 360/(60 0.72)Hz10000Hz。当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8N m，对应的取乙15，则小带轮节圆直径d1PbZ145.

25、48mm。当n1达到输出功率为PoutnT/9.55 1200 3.8/9.55W478W。取P0.478kW，Ka 1.2,代入式PdKaP ， 得出Pd1.2 0.478kW0.574kW .(4) 选择带型和节距Pb根据带的设计功率Pd 0.574kW和主动轮最高转速n11200r/ min ，选取同步带的型号为L型节距Pb9.525mm。(5) 确定小带轮齿数乙和小带轮节圆直径d 1有超过L型带的极限速度35m/s。（6）确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数Z2 izi 18，节圆直径d2 idi 54.57mm。（7）初选中心距ao、带的节线长度Lop、带的齿数Zb初选中

26、心距 ao 1.1（di d2）110.06mm，圆整后取 a。110mm。2则带的节线长度为Lop 2ao -（d1 d2）色 空L 377.33mm。查 p24a0表选取标准节线长度Lp 381mm，相应齿数Zb 40。（8）计算实际中心距a实际中心距a a0L p L0p111.835mm 。（9）校验带与小带轮的的啮合齿数zmZm entZ1匹?（Z2 zj 7，啮合齿数比6大，满足要求2 2a此处ent表示取整。（10）计算基准额定功率Po所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率：Po （Ta mV ）V，式中Ta表示带宽为bso时的许用工作压力，查 1000表得Ta 244.

27、46 N ； m表示带宽为bs0时的单位长度的质量，查表 得m 0.095kg / m ； v表示同步带的 带速，由上述（5 ）知v 2.86m/s。 代入式子算得Po 0.697kW .（11）确定实际所需同步带宽度bsbsbs。（且）1/1.14，式中bso表示选定型号的基准宽度，查表KzPo得bs0 25.4mm ； Kz表示小带轮啮合齿数系数，查表得Kz 1。由 上式算得bs 21.42mm，再根据表选取标准带宽bs 25.4mm。（12）带的工作能力验算根据式P (KzKwT 电mv2)v 10 3 ,计算同步带额定功率P的 bso精确值：式中 Kw为齿宽系数：Kw (bs/bso)

28、1.14 1 o经计算得P 0.697kW,而Fd 0.574kW ,满足PPd。因此，带 的工作能力合格o4.5步进电动机的计算与选型(1 ) 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d。40mm ,总长(带接杆)l 1560mm，导程 Ph 6mm，材料密度 7.85 10 3kg/cm3;纵向 移动部件总重量G 1300N ;同步带减速箱大带轮宽度28mm , 节 径54.57mm,孔径30mm ,轮 毂外径42mm,宽 度14mm;小带 轮宽度28mm,节径45.48mm ,孑L径19mm,轮毂外径29mm,宽 度12mm ；传动比i 1.2。将上述数据代入公

29、式，可得出：滚珠丝杠的转动惯量Js 30.78kg cm2 ; 床鞍折算到丝杠上的转动惯量 JW 1.21kg cm2;小带轮的转动惯量Jz1 0.95kg cm2 ,大带轮的 转动惯量J z2 1.9 kg cm2 o在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号为130BYG5501 ,查表得该型号电动机转子的转动 惯量Jm 33kg cm2 o则加在步进电动机转轴上的总转动惯量2 2为：J eq J m J z1 (J z2 JW J S) / i 57.55kg cm。(2 )计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1 ) 快速空载启动时

30、电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式Teq1TamaxTfT。，可知Te包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折 算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T。o因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式T。(1 o)可知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teqi Tamax Tf（ 4-1 ）根据式Tamax Jeq32，考虑纵向传动链的总效率60ta，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：Tamax-（ 4-2）式中 门皿表示对应纵向空载60ta最快移动速度的步进电动机最高转速，单

31、位为r/min ； ta表 示步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为vmax360（4-3 ） 式中Vmax表示纵向空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min ; 表示纵向步进电 动机步距角。为0.72 ; 表示纵向脉冲当量，为0.01mm/脉冲。将以上各值带入式（4-3 ），算得 nm 1200r / m min。设表示步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间 ta 0.4s，纵向传动链总效率 0.7 ;则由式（4-2 ）求得：Tamax257.55 10 4 1200 N m 2.58N m，由式 Tf 尹 可60 0.4 0.7知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的

32、摩擦转矩为：Tf(Fc G)Ph( 4-4 )式中2 i表示导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16 ; Fc表示垂直方向的工作载荷，空载时取0 ; 表 示纵向传动链总效率，取0.7。则由式（4-4 ）得：0.16 （0 1300） 0.006曰二 丄亠 / ,、TfN m 0.24N m，最后由式（4-1 ），20.7 1.2求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq1 Tamax Tf 2.82N m （4-5）2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq2由式Teq2Tt Tf T。可知，Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到

33、电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算 到电动机转轴上的附加摩擦转矩To。 To相对于Tf和丁很 小，可以忽略不计。则有：Teq2 Tt Tf（ 4-6）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩TtFf Ph由式Tt 计算，本例中在对滚珠丝杠进行计算的时2 i候，已知进给方向的最大工作载荷Ff 935.69N,则有：TtFfPh2 i935-69 0-006 N m20.7 1.21.06N m再由式Tf F摩空计算承受最大工作负载2 i（Fc 2673.4 N）情况下，移动部件运动时折算到电动机 转 轴 上 的 摩 擦 转 矩 ：（Fc G）Ph0.16 （2673.4 1300）

34、 0.006 “TfN m 0.72N m2 i20.7 1.2最后由式（4-6），求得最大工作负载状态下电动机 转轴所承的负载转矩：Teq2 Tt Tf 1.78N m（ 4-7）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载 转矩：Teq maXTeq1,Teq22.82N m（ 4-7）（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时， 其输出转矩会下降，可能造成丢布，甚至堵转。因此，根据Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例 中取安全系数K 4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 4Teq 4 2.82N m 1

35、1.28N m（ 4-8）对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知，其 最大静转矩Tjmax 20N m，可见完全满足式（4-8）要求。（4）步进电动机的性能校核1）最大工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快工进速度Vmax f 800mm/min，脉冲当量0.01mm/脉冲'由式fmaxf导求出电动机对应的运行频率fmaxf 800/（60 0.01）Hz1333Hz。在此频率下，电动 机的输出转矩Tmaxf 17N m，远远大于最大工作负载转矩Teq2 1.78N m，满足 要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快空载移动速度vmax 6

36、000mm/min，由式maxvmax60求出电动机对应的运行频率fmax6000/（60 0.01）Hz 10000 Hz。查表得，此频率下，电动机的输出转矩Tmax3.8N m，大于快速空载起动时负载转矩Teq1 2.82N m，满足要求3）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度vmax 6000mm/min，对应的电动机运行频 率fmax 10000Hz。查表可知 130BYG550 的极限运行频率为 20000Hz，可见没有超出上限。4）起动频率的计算，可已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq 57.55kg cm2，电动机转 子自身的转动惯量Jm 33kg cm2，查表可知电动

37、机转轴不带任何负载时最高空载起动频率fq 1800Hz。由式fL以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL 1087 Hz， 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起 动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频率时， 起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，纵向进给系统选用130BYG550步进电动机，可以 满足要求。4.6同步带传递效率的校核分两种工作情况，分别进行校核（1）快速空载起动电动机从静止到加速至nm 1200r/min ,由式（4-5 ）可知， 同 步 带 传 递 的 负 载 转 矩 Teq1 2.82N m ， 传 递

38、的 功 率 为 P n mTeq1 / 9.55 1200 2.82/9.55W 354.3W 。（2）最大工作负载、最快工进速度由 式 （ 4-7 ） 可 知 ， 带 需 要 传 递 的 最 大 工 作 负 载 转 矩 Teq2 1.78N m，任务书给定最快工进速度Vmax f 800mm/min，对 应 电 动 机 转 速 nmaxf （vmaxf/ z） /360 160r/min 。 传 递 的 功 率 为 P Teq2/9.55 160 1 .78 / 9.55W 29.8W 。可见， 两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。第五

39、 节 绘 制进 给 传动 机构 的装 配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制 进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，还应认真的考 虑与具体结构设计有关的一些问题。（1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵 溜板、横 溜板、刀架等的结构尺寸。（ 2）根 据载荷 特点 和支 承形 式确 定 丝杠 两端 支 承轴承的 型号 ，轴承 座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。（ 3 ） 等。（4） （ 5 ）考 虑 各 部 件 之 间 的 定 位 、联 接 和 调 整 方 法 。箱 上 的 联 接 与 定 位考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。

40、在 进 行 各 零 部 件 结 构 设 计 时 ，应 注 意 装 配 的 工 艺 性 ，考 虑 正 确 的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。第六 节 控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1)接收键盘数据，控制LED显示；2)接收操作面板的开关与按钮信号；3)接收车床限位开关信号；4)接收螺纹编码器信号；5)接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；6)控 制 X、 Z 向 步 进 电 动 机 的 驱 动 器 ；7)控制主轴正转、反转与停止；8)控制多速电动机， 实现主轴有级变速；9)控制交流变频器， 实现主轴无级变速；10)控制切削液泵起动/停止；

41、11)控制电动卡盘的夹紧与松开；12)控制电动刀架的自动选刀；13)与 PC 机 的 串 行 通 信 。图( 2)为 控制 系统 的原 理框 图 。CPU选用 ATMEL公司的8位单片机 AT89S52 ;由于 AT89S52本身 资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器， 存放系统底层程序；扩展了一片SRA M芯片6264用做数据存储器， 存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的 扩展选用了并行接口 8255 芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大； 模拟电压的输出借助于DAC0832;与PC机的串行通信经过MAX233芯 片。数控系统的操作面

42、板布置如图(1)所示。面板设置了 48 个微动按钮， 三个船形开关， 一只急停按钮， 显示器包括 1 组数码管和7只发光二极管。第七节 步进电动机驱动电源的选用本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802,Z 向步进电动机的 型号为30BYG5501。两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩 不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电动机 供电电压DC120310V，电流5安。这样，两台电动机的驱动电源可 用同一型号。在此，选择科林数控科技有限责任公司生产的五相混 合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。现在很多企业为了生存和发展，不断地提高机床的数控化率是 必要的。需要进行

43、数控改造的设备一般包括传统机床及近期从国外 引进，因存在问题而不能投产的机床设备和生产线。我们高新重型 机床，在机床数字化控制和改造方面有独特的心得和实际经验。在 普通机床恢复精度改造成高效的数控机床方面做了大量的工作。现 为了更好的服务客户，我们总结了有关机床数控改造的知识供大家 参考。一、数控改造的容机床与生产线的数控改造主要容有：（1）恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；（2） NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；（3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度, 对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精 度 ； 对 其 不 能 满 足 生 产 要

44、求 的 CNC 系 统 以 最 新 CNC 进 行 更 新 ； (4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新 技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。 二、数控系统发展的趋势1. 向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特 点 ，更 多的 数控 系统 生 产厂 家会 走上 这 条道 路。至少 采 用 PC 机 作 为 它 的 前端 机， 来处 理人 机 界面 、 编 程、 联 网通信等 问题 ，由原 有的 系统承担数控任务PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的 数 控 系 统 。在 远程 通信 、 远程

45、 诊断 和维 修 的 应用将 更加 普遍。2. 向 高 速化 和 高精 度化 发展三 、 数 控 系 统 的 选 择1 . 开 环 系 统该 系 统 的 伺服 驱动 装置 是 步进 电机 、 功 率 步进电机 、 电 液脉冲 马达 等 。这种 系 统 不需 要位 置 和速 度反 馈， 位 移精度主 要决 定于 步 进电 机 的 角位 移精 度和 齿轮 丝 杠等 传动 元件 的 精度， 所 以位 移精度 低。 但 系 统 结 构简 单、调 试维修方 便、工 作 可靠 、成 本 低 、易 改装 成功 。2. 闭环 系 统该 系 统 由 光栅 、 感 应同 步 器等 位置 检测 装 置测得的 实际

46、位置信 号反 馈 给计算 机， 与给 定值 进 行比 较， 将 两者 的 差 值放 大并变 换， 驱动 执 行 机 构 ，以 消 除 偏 差 。此 系 统 复 杂 、成 本 高 、对 环 境 温 度 要 求 严 。 但系统精度高、速度快、功率大。可根据产品技术要求，决定是否 采用。3 半闭 环系 统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位 置。它只能补偿系统环路的部分元件的误差，因此，其精度比闭环 系统的精度低，但是其结构与调试都较闭环系统简单。当 前 生 产 数 控 系 统 的 公 司 及 厂 家 比 较 多 ，国 外 的 如 德 国 西 门 子 公 司 、 日本发那科公

47、司；国的如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集 团公司、华中数控公司和高档数控国家工程研究中心等。选择数控 系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的 功率和用户的要求来确定。四、机床数控改造主要步骤1 改造 方案 的 确定(1) 机械 修理 与 电气 改造 相结 合。一 般来 说 ，需 进 行电气改 造的 机床 ， 都需进行机械修理。要确定修理的要求、围和容；也要确定因电气 改造而需进行机械结构改造的要求和容；还要确定电气改造与机械 修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功 的基础。(2) 先易 后难 、先 局部 后全局。确 定改 造步骤时，应 把整 个电气

48、部分 改造分成若干个子系统进行，待各系统基本成型后再互联完成全系 统工作。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大 的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集 中到关键地方。(3) 根据 使用 条 件选 择系 统。针对 改造 对象 确定 它 的环 境和 条件 ，这 对选择电气系统的防护、抗干扰、自冷却及空气过滤等性能可提供 正确的依据。电气系统选择时还必须考虑成熟产品，它们性能应合 理实用、有备件可提供维修支持、功能可满足当前和今后若干年的 发展要求等。(4) 落实 参与 改 造的 人员 和责 任。(5) 改 造 围 与 周 期 的 确 定 。2 改造 的技 术 准备

49、(1) 机 械 部 分 准 备 。为 配 合 电 气 改 造 的 机 械 大 修 工 作 应 先 期 完 成 。同 时对需拆、改和加工的部分等应事先规划，要与整个改造工作衔接 得当。(2) 新系 统电 气 资料 消化 。(3) 新旧 系统 接 口的 转换 设计 。根据每 台设 备改 造 围不 同，需事 先设 计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板 控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等。要求操作 与 维 修 方 便 合 理 、线 路 走 向 通 顺 、中 小 连 接 点 少 、强 弱 电 干 扰 最 小 、 备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配

50、、 电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作 转换接口。3 改造 的实 施(1) 原机 床的 全 面保 养。 原机 床经 长 期使 用后， 需要 进行 全面 保养 。 其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，并记录在 案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对 比分析用。(2) 保留 的电 气 部分 最佳 化调 整。若对 电气 系统 作 局部 改造 ，则应对 保留电气部分进行保养和最佳化调整，如强电部分的零件更换、电 机 的 保 养 、变 压 器 的 烘 干 绝 缘 、污 染 的 清 洁 、通 风 冷 却 装 置 的 清 洗 、 伺服驱动装置的最佳化调整、老化电线电缆的更新、连接件的紧固 等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整，才能保证改造 后的机床有较低的故障率。(3) 原系 统拆 除 。原系 统的 拆除 必 须对 照原图 纸仔 细进 行，及时 在图 纸上作出标记，防止遗漏或过拆。在拆的过程中也会发现一些新系 统 设 计 中 的 欠 缺 之 处 ，应 及 时 补 充 与 修 正 。拆 下 的 系 统 要 妥 善 保 管 ， 以 备 万 一 改 造 不 成 功 时